Header Page 1 of 258.

1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
***

VÕ CÔNG VINH

ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP SAI PHÂN HỮU
HẠN TÍNH TOÁN NƯỚC VA TRONG ĐƯỜNG
ỐNG ÁP LỰC NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN
THƯỢNG KON TUM

Chuyên ngành : Tưới tiêu cho cây trồng (Thủy lợi)
Mã số : 60.62.27

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học : PGS.TS NGUYỄN THỐNG

Đà Nẵng, Năm 2010
Footer Page 1 of 258.


Header Page 2 of 258.

2

Công trình ñược hoàn thành tại

va ở nước ta hiện nay còn hạn chế. Trong nước hiện có chương trình
tính toán nước va Transient 7.0 của trường ĐH Thủy lợi cũng ñang
ñược một số Công Ty Tư Vấn Thiết Kế Điện áp dụng cho các dự án
gần ñây.
Để góp phần vào việc nghiên cứu chương trình giải quyết bài
toán nước va áp dụng trong thiết kế thủy ñiện. Luận văn sẽ dựa trên
những nghiên cứu mới ñây về việc áp dụng phương pháp sai phân
vào giải bài toán ñạo hàm riêng phi tuyến mô tả hiện tượng nước va
trong ñường ống có áp.
2. Mục ñích nghiên cứu
Tính toán giá trị nước va (âm, dương) trong ñường ống áp lực
có kể ñến sự làm việc ñồng thời của giếng ñiều áp
Giải phương trình ñạo hàm riêng phi tuyến mô tả hiện tượng
nước va trong ñường ống áp lực bằng phương pháp sai phân hữu
hạn.
So sánh kết quả tính toán với phương pháp ñường ñặc trưng.

Footer Page 3 of 258.


Header Page 4 of 258.

4

3. Phạm vi nghiên cứu của ñề tài:
Luận văn chủ yếu nghiên cứu vào những vấn ñề sau:
Nghiên cứu lý thuyết nước va trong ñường ống có áp.
Tính toán nước va (dương, âm) trong ñường ống áp lực của nhà
máy thuỷ ñiện Thượng Kon Tum với các ñiều kiện biên:
+ Mực nước tại thượng lưu hoặc hạ lưu của hệ thống.

lượng ñường dẫn dài, xem xét hiệu quả làm việc của giếng ñiều áp
bằng phương pháp sai phân hữu hạn.
+ Ý nghĩa kinh tế xã hội:
Tính toán áp lực nước va nhằm ñưa ra các biện pháp khả
thi cho việc sử dụng năng lượng của ñường ống.
Lựa chọn các phương án xây dựng phù hợp với ñiều kiện
tự nhiên và quy mô của dự án.
6. Cấu trúc của Luận văn.
Toàn bộ luận văn có 4 chương ngoài phần mở ñầu, kết luận và
kiến nghị gồm có 81 trang ñược chia ra::
+ Mở ñầu
+ Chương 1: Cơ sở lý thuyết.
+ Chương 2: Phương pháp giải bài toán nước va trong
ñường ống áp lực.
+ Chương 3: Giải thuật và chương trình tính nước va bằng
phương pháp sai phân hữu hạn.
+ Chương 4: Áp dụng chương trình tính áp lực nước va
trong ñường ống áp lực nhà máy thủy ñiện Thượng Kon Tum.
+ Kết luận và kiến nghị.

Footer Page 5 of 258.


Header Page 6 of 258.

6

Chương 1
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
1.1. Đặt vấn ñề

Lưới”, PGS.TS. Nguyễn Thống, Tạp chí Nông nghiệp và Phát triển
nông thôn, Số 17-2007.
Bài báo giới thiệu kết quả tính toán áp lực trong trường hợp xảy
ra nước va dùng làm cơ sở trong việc xác ñịnh loại vật liệu và kích
thước ñường ống hợp lý. Trong trường hợp có xét ñến sự dao ñộng
của mực nước trong giếng khi nước va xảy ra, giải ñồng thời 2 hệ
phương trình biểu thị hiện tượng dao ñộng mực nước trong giếng
ñiều áp và hiện tượng nước va trong ñường ống ñàn hồi thông qua
liên kết của các biến chiều sâu nước trong giếng và lưu lượng tại ñầu
ống áp lực theo thời gian.
c. "Phân tích sai số giả thiết ALLIEVI trong tính toán nước va
và các lưu ý khi sử dụng’’, ThS. Phan Văn Hùng, ĐH Bách Khoa Đà
Nẵng, Nguồn Internet.
Bài báo phân tích sai số của giả thiết Allievi trong một số
trường hợp tính giá trị nước va pha thứ m. Bằng cách phân tích sai
số, tác giả ñã ñề xuất một số lưu ý khi sử dụng giả thiết Allievi ñể
tính toán áp lực nước va pha thứ m và sau pha thứ m, trường hợp
ñóng hoàn toàn cửa van.
d. Một số phần mềm tính toán nước va:
+ Phần mềm Hytran
+ Phần mềm Transient
1.2.2. Các phương pháp giải bài toán nước va
1.3. Phương trình cơ bản của nước va
1.3.1. Phương trình liên tục
1.3.2. Phương trình ñộng lượng:
1.3.3. Vận tốc truyền sóng nước va

Footer Page 7 of 258.



2.1.4. Nước va gián tiếp
2.1.5. Điều kiện biên
2.2. Phương pháp ñường ñặc trưng
2.2.1. Phương trình cơ bản
2.2.2. Trình tự giải
2.2.3.Điều kiện biên
2.3. Phương pháp sai phân
2.3.1. Phương trình cơ bản
2.3.2. Sơ ñồ sai phân hữu hạn
2.3.3. Sơ ñồ sai phân hữu hạn phương trình liên tục và ñộng
lượng
2.3.4 Sai phân hệ phương trình biểu thị dao ñộng mực nước
trong giếng ñiều áp
2.3.5. Điều kiện biên

Footer Page 9 of 258.


Header Page 10 of 258.

10

2.4. Nhận xét từ 3 phương pháp giải:
Khi giải bài toán nước va bằng phương pháp giải tích
(Joucowski – Allievi), lời giải phải chấp nhận các giả thiết bỏ qua tác
dụng ma sát lên dòng chảy, dùng các hệ số tương ñương atñ, rtñ...khi
tính toán cho ñường ống phức tạp (ống có nhiều nhánh nối tiếp, song
song có ñường kính và chiều dài khác nhau.
Phương pháp ñường ñặc trưng, lời giải phải chịu sự ràng buộc
về bước thời gian dt=dx/a ñể ñảm bảo lời giải ổn ñịnh.

Một trạm thủy ñiện kiểu ñường dẫn có các thông số chính như
sau :
- MNDBT:

143m.

- MNC:

135m.

Footer Page 11 of 258.


Header Page 12 of 258.
- MNHL:

12
72m (cao ñộ cuối ống).

- Dẫn lưu lượng 12,87m3/s vào 2 tổ máy.
- Đường hầm có áp trước giếng ñiều áp dài 820m ñường kính
2,3m; cao ñộ ñầu hầm 131,25m và cuối hầm 125,73m.
- Giếng ñiều áp trụ tròn có các thông số chính như sau:
ñường kính 7m; cao ñộ ngưỡng giếng 155m; cao ñộ tại vị trí họng
cản 128,2m; ñường kính họng cản 1,9m.
- Đường ống áp lực sau giếng bằng thép dài 250m; có ñường
kính D= 1,9m; chiều dày 12mm. Hai ñoạn ống rẽ nhánh vào 2 tổ
máy có chiều dài mỗi ñoạn 10m; ñường kính 1m có bề dày thành ống
15mm.
- Van ñóng mở theo quy luật tuyến tính, thời gian ñóng mở

kết quả ở bảng 3.1; hình 3.1 và hình 3.2. Các trị số áp lực nước va có
giá trị tương ñối nhau. Thời ñiểm nước va ñạt giá trị lớn nhất cuối
thời gian ñóng van hoàn toàn, biên ñộ dao ñộng theo phương pháp
sai phân hữu hạn tắt dần nhanh. Ví dụ này nhằm ñánh giá kiểm tra ñộ
tin cậy của chương trình tính toán. Qua chương sau sẽ phân tích kỹ
hơn bài toán nước va trong ñường ống áp lực làm việc ñồng thời khi
có giếng ñiều áp.

Footer Page 13 of 258.


Header Page 14 of 258.

14

Chương 4
ÁP DỤNG TÍNH ÁP LỰC NƯỚC VA
TRONG ĐƯỜNG ỐNG ÁP LỰC NHÀ MÁY
THỦY ĐIỆN THƯỢNG KON TUM
4.1. Giới thiệu dự án thủy ñiện Thượng Kon Tum:
Công trình thủy ñiện Thượng Kon Tum là công trình trên cùng
của hệ thống bậc thang thủy ñiện sông Sê San, trạm thủy ñiện kiểu
ñường dẫn với toàn tuyến năng lượng tương ñối dài. Chương trình
ñược áp dụng tính toán nước va trong ñường ống áp lực, bài toán
ñược xét ñến sự làm việc ñồng thời giữa giếng ñiều áp và ñường ống
áp lực, với các quy luật ñóng mở van khác nhau.
4.1.1. Mô tả tuyến năng lượng dự án thủy ñiện Thượng Kon
Tum:
Toàn bộ tuyến năng lượng gồm: cửa lấy nước, ñường hầm áp
lực, giếng áp lực, nhà máy và hầm xả.


Header Page 16 of 258.

16

+ Đoạn 3: có chiều dài 822m, tiết diện nữa tròn D0=4,5m,
chiều cao hầm là 5,3m, bề rộng ñáy hầm là 5,3m, kết cấu bê tông cốt
thép với chiều dày 0,4m.
+ Đoạn 4 là ñoạn hầm không áo, có chiều dài 2197,89m, mặt
cắt hầm có tiết diện nữa tròn, chiều cao hầm là 5,3m, bề rộng ñáy
hầm 4m.
- Tháp ñiều áp: có kiểu hình trụ ñược bố trí tại ñỉnh ñồi có
cao ñộ 1170m, ñược ñào qua ñất với mái ñào có ñộ dốc từ 1,5 ñến
1,75 và ñào ñứng qua lớp ñá A2 cứng chắc. Đối với ñoạn ñào qua
ñất, tháp có kết cấu hở bằng bê tông cốt thép, ñường kính ñoạn hở có
D0=12m, chiều dày vỏ tháp là 1m, cao ñộ ñỉnh tháp là 1200m. ñối
với ñoạn ñào qua ñá, tháp có ñường kính trong D0=3,4m có kết cấu
bê tông cốt thép, dày 0,3m.
- Đường hầm áp lực: bao gồm 3 ñoạn chính: sau tháp ñiều
áp, ñoạn hạ xuống cao ñộ 215m và ñoạn nằm ngang nối tiếp với nàh
máy thủy ñiện.
+ Đoạn sau tháp ñiều áp có chiều dài 1332,42m, kết cấu bê
tông cốt thép với chiều dày 0,4m có bọc thép. Độ dốc ñáy ñoạn này
là 2,16%, mặt cắt hầm có thiết diện kiểu nữa tròn R=1,3m, chiều cao
hầm 3,4m, bề rộng ñáy hầm 3,4m.
+ Đoạn hạ xuống cao ñộ 215,0m theo chiều thẳng ñứng,
chiều dài là 560,09m, có thiết diện tròn D0=2,6m, có kết cấu bê tông
cốt thép với chiều dày 0,4m có bọc thép.
+ Đoạn nối tiếp với nhà máy thủy ñiện có chiều dài 100m,
kết cấu bê tông cốt thép có chiều dày 0,4m có bọc thép, mặt cắt có

Thông số

Đơn vị

Trị số

(1)

(2)

(3)

(4)

I

Hồ chứa

1

Mực nước dâng bình thường

m

1160

2

Mực nước chết (MNC)



1

Đoạn 1, kết cấu bê tông cốt thép, t=0,3m
+ Chiều dài

m

857,28

+ Độ dốc ñáy i

%

2

+ Thiết diện

2

Nửa tròn

+ Đường kính trong

m

3,4

+ Kích thước h x bñ


822

+ Độ dốc ñáy i

%

2

+ Thiết diện

4

5,3 x 4

Nửa tròn

+ Đường kính trong

m

4,5

+ Kích thước h x bñ

m

5,3 x 5,3

+ Chiều dài


1

Cao ñộ ñỉnh

m

1200

2

Cao ñộ tim ống

m

802,74

3

Đường kính trong ñoạn hở

m

12

4

Đường kính trong ñoạn ngầm

m



Kích thước h x bñ

m

3,4 x 3,4

Đoạn 2 thẳng ñứng, kết cấu bê tông cốt thép, t=0,4m, có
bọc thép
Chiều dài

m

Độ dốc ñáy i

%

Thiết diện
Đường kính trong D0
3

560,09

tròn
m

2,6

Đoạn 3, kết cấu bê tông cốt thép, t=0,4m, có bọc thép
Chiều dài

3,4 x 3,4

m3/s

29,96

m

215/226,3

V

Nhà máy

1

Lưu lượng thiết kế

2

Cao trình ñặt tuốc bin

3

Công suất lắp máy

MW

220


4.2.1.7. Đánh giá kết quả và nhận xét

Footer Page 20 of 258.


Header Page 21 of 258.

21

Bảng 4.2. Kết quả nước va tại cuối ống cho các trường hợp ñóng
(mở) van cho như sau:
Nước va DƯƠNG
Quy luật

Tỷ lệ

Nước va ÂM
Tỷ lệ

Htĩnh

pmin

(m)

(mH20)

30,55

947,6


1281,8

32,20

947,6

740,4

21,87

Tuyến tính gãy khúc

969,6

1260,7

30,02

947,6

758,7

19,93

Htĩnh

pmax

(m)

Z max = Vh ( Lh s h ) /( gS g ) là 17,43m. Sự sai biệt của biên ñộ dao
ñộng và chu kỳ dao ñộng của mực nước trong giếng có thể giải thích
do sự có kể ñến ảnh hưởng của ma sát lên dòng chảy trong lời giải
bài toán bằng phương pháp số.
- Về giá trị nước va dương lớn nhất xảy ra trong ñường ống
áp lực cho thấy có sự thay ñổi với các quy luật ñóng (mở) van (các
hình 4.3a; 4.4a; 4.5a ; 4.6a ; 4.7a và bảng 4.2). Cụ thể, tại vị trí cuối

Footer Page 21 of 258.


Header Page 22 of 258.

22

ñường ống áp lực, trị số áp lực nước va có sự thay ñổi lớn giữa:
trường hợp ñóng van tuyến tính gãy khúc cho trị số áp lực nhỏ nhất
pmax= 11260,6mH2O tăng 30,02% so với cột nước tĩnh Htĩnh = 969,6m
, trường hợp ñóng van chậm – nhanh – chậm có trị số lớn nhất pmax=
1281,8mH2O tăng 32,2% so với cột nước tĩnh Htĩnh. Các trường hợp
còn lại cho trị số áp lực thay ñổi không ñáng kể. Tại vị trí giữa
ñường ống, kết quả tính toán cho thấy giá trị nước va dương giảm có
cùng xu thế. Trường hợp ñóng van chậm nhanh cho giá trị nước va
dương lớn nhất xảy ra sớm, áp lực lớn cũng như chu kỳ sóng nước va
lớn và tắt dần chậm hơn các trường hợp còn lại.
- Về giá trị nước va âm, kết quả tính toán cho thấy có sự thay
ñổi ñáng kể các trường hợp mở van (các hình 4.3b; 4.4b; 4.5b ; 4.6b ;
4.7b và bảng 4.2). Giá trị nước va nhỏ nhất ỏ trường hợp van mở
chậm – nhanh – chậm pmax= 740,4 mH2O giảm 21,87% so với cột
nước tĩnh Htĩnh = 947,6m , trường hợp mở van tuyến tính có trị số lớn


ñóng (mở)

Htĩnh

pmax

Tỷ lệ

Htĩnh

pmin

van (s)

(m)

(mH20)

tăng %

(m)

(mH20)

7

969,6

1285


947,6

753.2

20.51

10

969,6

1265.8

30.55

947,6

764.5

19.32

11

969,6

1254

29.33

947,6


Là tỷ số giữa số vòng quay lớn nhất và số quay ñồng bộ ñịnh
mức n. Tỷ số β max chưa ñược ñề cập trong chương trình tính này,
nếu có ñiều kiện sẽ ñược bổ sung nghiên cứu thêm.

Footer Page 24 of 258.


Header Page 25 of 258.

25

KẾT LUẬN
1. Kết quả luận văn
Luận văn ñã ứng dụng chương trình tính toán theo lý thuyết sai
phân hữu hạn ñể tính nước va dương và âm trong ñường ống áp lực
trong 2 trường hợp: giếng ñiều áp và ñường ống làm việc ñộc lập và
trường hợp xét sự làm việc ñồng thời của giếng ñiều áp với ñường
ống.
Chương trình ứng dụng ñể tính toán nước va dương và âm cho
ñường ống tròn với các ñiều kiện biên:
+ Mực nước tại thượng lưu hoặc hạ lưu của hệ thống.
+ Mối nối giữa các ñường ống có ñường kính, ñộ nhám, vận
tốc truyền sóng khác nhau.
+ Nhánh rẽ từ một ñường ống ra nhiều ñường ống.
+ Xét ñến sự làm việc ñồng thời của tháp ñiều áp.
+ Lưu lượng van ñiều chỉnh cuối ống (các trường hợp ñóng
mở van).
2. Kết luận và kiến nghị
Luận văn ñã ñạt ñược yêu cầu ñặt ra bằng chương trình tính toán